高速电涡流传感器的制作方法

本发明涉及距离测量、传感器，具体讲,涉及高速电涡流传感器。

背景技术：

电涡流传感器是利用交变磁场在金属导体中产生的电涡流效应来进行测量的一种传感器，具有灵敏度高，非接触测量以及抗干扰能力强等优点，广泛用于位移、振动和工件损伤及变形的测量。在实际测量中，探头由传感线圈及外壳构成，常用传感线圈和前置放大电路中的电容组成lc谐振，通过测量谐振点的偏移获得被测量的信息。为了降低振荡器的负载，又需在lc谐振电路一端串联电阻，故而传感器的频率响应一般较低，带宽最高几十千赫兹。另一方面，探头与信号处理电路通过同轴线缆连接，线缆的寄生电容导致测量结果不准确，从而影响精度和分辨率，且测量距离越远影响越明显。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出高速电涡流传感器，能够提高传感器的频率响应，消除传输线缆寄生电容的影响，从而提高传感器测量的精度和稳定性，增加测量距离。为此，本发明采用的技术方案是，高速电涡流传感器，由探测线圈、高稳定电容、三同轴电缆组成，线圈中的高频交变电流产生交变磁场，并在被测金属导体中产生闭合的感应电涡流；感应电涡流又反过来作用于探测线圈，导致其和高稳定电容组成的lc谐振电路特性阻抗发生变化，特性阻抗变化通过三同轴电缆传输到远端，在远端测量变化的阻抗即可求出被测量。

三同轴电缆的外屏蔽层接大地，由运放op、电容c1、激励源和电阻r1组成的驱动电路浮地，运放同相输入端为驱动电路参考点，产生高频交变电流的激励源连接大地和驱动电路参考点；三轴电缆的芯线连接运放op的反相输入端；内屏蔽层连接运放op的同相输入端；运放输出电压uo幅值或频率反映被测量变化，通过后续处理电路即解出被测量。

激励源产生的交变电压为ui，其频率为ω，则输出电压为

其中j为虚数，且j²＝-1。

三同轴电缆的外屏蔽层e和驱动电路共接大地，且电缆与驱动电路通过一同轴电缆相连。在传输电缆的一端，同轴电缆的屏蔽层接电缆的内屏蔽层，同轴电缆的芯线接电缆的芯线；在驱动电路一端，同轴电缆的屏蔽层接运放op的同相输入端，同轴电缆芯线接运放op的反向输入端，同轴电缆绕成圈，作为变压器的次级线圈，以传输激励源产生的高频交变电流，运放输出电压uo幅值或频率反映被测量变化，通过后续处理电路即解出被测量。

同轴电缆的芯线和屏蔽层两端感应的交变电压分别为ui9和ui10，则有ui9＝ui10，且输出电压uo为

本发明的特点及有益效果是：

本发明通过在传感器探头两端并联高稳定的电容，并用三同轴电缆进行传输，结合驱动电缆技术，可将电涡流传感器带宽提高到几百千赫兹，并消除传输线缆的寄生电容影响，实现高精度、高稳定性及远距离测量。

附图说明：

图1为本发明所述高速电涡流传感器探头示意图。其中1为探测线圈，2为高稳定电容，3为三同轴电缆，a为电缆3的芯线，b为电缆3的内屏蔽层，e为电缆3的外屏蔽层。

图2为电缆驱动方案1。其中4为高频激励源，5为大地，6为驱动电路的参考点，即浮地。op为运算放大器，c1为电容，r1为电阻。

图3为电缆驱动方案2。其中7为同轴电缆，m为7的芯线，n为7的屏蔽层，8为变压器。

图4为电缆驱动方案1的等效电路。其中l为探测线圈1的等效电感，c为高稳定电容2，cd1为三同轴电缆3的芯线a和内屏蔽层b之间的电容，cd2为三同轴电缆3的内屏蔽层b和外屏蔽层e之间的电容，cg为大地5和浮地6之间的电容。

图5为电缆驱动方案2的等效电路。其中9为同轴电缆7的内屏蔽层m两端感应的高频交变电压，10为同轴电缆7的外屏蔽层n两端感应的高频交变电压，cd3为同轴电缆7的芯线m与内屏蔽层n之间的电容。

具体实施方式

本发明属于传感器领域。具体的说，本发明涉及一种电涡流传感器，在传感器探头线圈端并联高稳定谐振电容，并结合驱动电缆技术消除芯线和屏蔽层之间寄生电容的影响，可实现被测量的高速、准确及远距离测量。

本发明提出一种电涡流传感器设计，将谐振电容并联在传感器探头端，使串联电阻为零欧，以提高传感器的频率响应；采用三同轴电缆进行传输，结合驱动电缆技术，消除传输线缆寄生电容的影响，以提高传感器测量的精度和稳定性，增加测量距离。

本发明采用的技术方案是，在传感器探头两端并联高稳定的电容，并用三同轴电缆进行传输，结合驱动电缆技术，实现宽带宽、高精度高稳定性及远距离测量。图1所示为传感器探头方案。线圈1中的高频交变电流产生交变磁场，并在被测金属导体中产生闭合的感应电涡流；感应电涡流又反过来作用于探测线圈1，导致其和高稳定电容2组成的lc谐振电路特性阻抗发生变化，通过测量变化的阻抗即可求出被测量。探头通过三同轴电缆3与信号处理电路连接，其中a为电缆3的芯线，b为电缆3的内屏蔽层，e为电缆3的外屏蔽层。

图2所示为电缆驱动方案1。三同轴电缆3的外屏蔽层e接大地5，由op、c1和r1组成的驱动电路浮地，6为其电路参考点。产生高频交变电流的激励源4连接大地5和驱动电路参考点6；三轴电缆3的芯线连接运算放大器op的反相输入端；内屏蔽层b连接op的同相输入端。运放输出电压uo幅值或频率反映被测量变化，通过后续处理电路即可解出被测量。

图3所示为驱动方案2，三同轴电缆3的外屏蔽层e和驱动电路共接大地5，且电缆3与驱动电路通过一同轴电缆7相连。在传输电缆3的一端，同轴电缆7的屏蔽层n接电缆3的内屏蔽层b，同轴电缆7的芯线m接电缆3的芯线a；在驱动电路一端，7的屏蔽层n接运放op的同相输入端，芯线m接op的反向输入端。同轴电缆7绕成圈，作为变压器8的次级线圈，以传输激励源4产生的高频交变电流。运放输出电压uo幅值或频率反映被测量变化，通过后续处理电路即可解出被测量。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

图1所示为高速电涡流传感器探头。线圈1中的高频交变电流产生交变磁场，并在被测金属导体中产生闭合的感应电涡流；感应电涡流又反过来作用于探测线圈1，导致其和高稳定电容2组成的lc谐振电路特性阻抗发生变化，通过测量变化的阻抗即可求出被测量。探头通过三同轴电缆3与信号处理电路连接。

图2所示为电缆驱动方案1。三同轴电缆3的外屏蔽层e接大地5，由op、c1和r1组成的驱动电路浮地，6为其电路参考点。产生高频交变电流的激励源4连接大地5和驱动电路参考点6；三轴电缆3的芯线连接运算放大器op的反相输入端；内屏蔽层b连接op的同相输入端。运放输出电压uo幅值或频率反映被测量变化，通过后续处理电路即可解出被测量。该驱动方案的等效电路如图4所示。设激励源4产生的交变电压为ui，其频率为ω，则输出电压为

其中j为虚数，且j²＝-1。由于与lc谐振串联的电阻为0，电路的频率响应可达百千赫兹，且由(1)式可知，输出电压不受三同轴电缆3的寄生电容cd1、cd2及大地5与浮地6之间的电容cg的影响。运放输出电压uo幅值或频率反映被测量变化，通过后续处理电路即可解出被测量。

图3所示为驱动方案2，三同轴电缆3的外屏蔽层e和驱动电路共接大地5，且电缆3与驱动电路通过一同轴电缆7相连。在传输电缆3的一端，同轴电缆7的屏蔽层n接电缆3的内屏蔽层b，同轴电缆7的芯线m接电缆3的芯线a；在驱动电路一端，7的屏蔽层n接运放op的同相输入端，芯线m接op的反向输入端。同轴电缆7绕成圈，作为变压器8的次级线圈，以传输激励源4产生的高频交变电流。设在同轴电缆7的芯线m和屏蔽层n两端感应的交变电压9和10分别为ui9和ui10，则有ui9＝ui10，且输出电压uo为

由(2)式可知，输出电压不受同轴电缆3的寄生电容cd1、cd2及同轴电缆7的寄生电容cd3的影响。运放输出电压uo幅值或频率反映被测量变化，通过后续处理电路即可解出被测量。